天然氣管道一旦爆裂將引發(fā)重大的安全事故，會對人身或財產(chǎn)造成極大的損失。氣液執(zhí)行機構是天然氣長輸管道線路截斷球閥上關鍵的安全控制設備，其目的是盡可能地縮小天然氣管道事故的范圍，并降低事故造成的危害。氣液執(zhí)行機構以直接從管道獲取的帶壓天然氣為動力，以液壓油為傳動介質，驅動線路截斷閥完成開關動作。基本功能包括：就地氣動手柄操作、就地液壓手動泵操作、爆管自動保護、遠程電控和ESD緊急截斷保護。
根據(jù)中國石油油氣儲運項目設計規(guī)定文件（CDP）的要求，線路截斷閥室（包括普通閥室、監(jiān)視閥室和監(jiān)控閥室）配套的氣液執(zhí)行機構應具備在壓力和壓降速率檢測信號超過設定值（且延時）時自動關閉截斷閥的功能。壓力和壓降速率檢測保護，即爆管自動保護功能是指：當天然氣管道發(fā)生爆裂后，爆裂處上下游（通常相距10～30 km）的干線截斷閥執(zhí)行機構能夠第一時間監(jiān)測到管道的異常并實施自動關斷。
爆管保護單元構成
氣液執(zhí)行機構配置的電子爆管自動保護單元的功能硬件主要包括電源模塊、檢測模塊、驅動輸出模塊和程序處理器。
爆管保護單元的架構
- 電源模塊
電源模塊是整個保護單元的供電保障，為自動化監(jiān)測提供動力支持，其設計取決于現(xiàn)場條件。目前爆管保護單元常見的供電方式有3種，包括：24 V直流電+后備蓄電池，太陽能電池板+后備蓄電池和內(nèi)部電池。當現(xiàn)場具備穩(wěn)定的電力供應時，爆管保護單元將采用現(xiàn)場提供的24 V直流電+后備蓄電池的供電模式；當現(xiàn)場地處偏僻而無電力設施等條件時，因地制宜利用太陽能電池板+后備蓄電池的供電模式通常是最優(yōu)的選擇。這兩種供電模式利用蓄電池作為不間斷后備電源，均配置了蓄電池充放電控制器，可以保證在無外部供電情況下仍能維持一段時間（至少15 d）的供電，使爆管保護功能得以持續(xù)發(fā)揮作用。內(nèi)部電池供電模式不需要外部供電電源，僅依靠自帶的電池維持工作，目前已較少采用。一方面是因為電池供電模式對破管保護單元的功耗限制過于苛刻，以致于不得不降低管道壓力采樣的頻率并舍棄遠程數(shù)據(jù)通訊功能；另一方面，在電池電量耗完前必須及時更換，增加了維護工作量和成本。
- 檢測模塊
檢測模塊包括壓力傳感器及A/D轉換單元，實時檢測管道壓力及其變化，是爆管保護單元做出動作的判斷依據(jù)。檢測模塊的穩(wěn)定性、可靠性和準確性均至關重要，否則將可能誤動作關斷干線截斷閥。壓力傳感器必須滿足現(xiàn)場的防爆要求，工作時管道壓力對應轉換為1～5 V的電壓信號或4～20 mA的電流信號，后者因其抗干擾能力更強、穩(wěn)定性更高，更廣泛地被業(yè)內(nèi)采用。
檢測模塊的精度取決于壓力傳感器和A/D轉換單元的誤差疊加，可稱為系統(tǒng)精度。通常壓力傳感器是寬電壓工作，精度通常在0.075%～0.5%范圍內(nèi)，而A/D轉換精度與硬件設計關系密切，通常均在0.1%左右。目前，通過國產(chǎn)化鑒定的設備均提供了第三方鑒定的系統(tǒng)精度，而以前進口產(chǎn)品只提供了壓力傳感器的精度。
- 驅動輸出
驅動輸出是爆管保護功能的執(zhí)行部分，其通過滿足防爆要求的電磁閥將爆管保護單元與執(zhí)行機構的氣液驅動回路關聯(lián)。電磁閥一般受爆管保護程序控制輸出的24 V直流驅動，將爆管保護電信號轉換為氣體回路的控制信號，使執(zhí)行機構驅動閥門關斷。為了減小電磁閥動作時對系統(tǒng)工作的影響，通常采用低功耗電磁閥（≤ 6 W）。業(yè)內(nèi)根據(jù)執(zhí)行機構氣液驅動回路的不同，可采用高壓電磁閥（直接控制管道氣體）或低壓電磁閥（將管道氣體壓力降低為1 MPa以下來控制）。
- 程序處理器
程序處理器是爆管保護功能的“大腦”，具有程序控制、記錄存儲及人機通訊的功能。程序處理器的功能等同于自動控制領域的PLC或RTU，業(yè)內(nèi)針對氣液執(zhí)行機構的特殊應用，定制開發(fā)了硬件和軟件的解決方案，也有的基于現(xiàn)成的PLC或RTU模塊開發(fā)。相較而言，前者在硬件功耗、軟件實用性等方面更具優(yōu)勢。
- 爆管程序
雖然目前主流的進口氣液聯(lián)動產(chǎn)品（如美國SHAFER、意大利BIFFI等）和國產(chǎn)（如中寰）氣液聯(lián)動產(chǎn)品的爆管保護單元不盡相同，但其爆管保護的控制程序是共通的：監(jiān)測并處理從管道采樣得到的壓力數(shù)據(jù)，將其與設定的保護值進行比對，并做出是否動作的判斷。電子爆管保護單元用于判斷爆管的3個參數(shù)是：
①管道壓力高高限值（PHH）
②管道壓力低低限值（PLL）
③管道壓力降低速率高高限值（PDRHH）
- 記錄存儲
當系統(tǒng)檢測到管道壓力出現(xiàn)超過設定的異常限值（PHH、PLL和PDRHH）情況時，爆管檢測單元將對超限時刻前后一段時間內(nèi)管道的壓力及每個壓力對應的時間予以記錄存儲，以便后續(xù)追溯、查詢、分析和診斷。記錄存儲的內(nèi)容必須是永久性的，斷電不消失，僅可人工手動清除。通常記錄存儲的容量要求不少于1 000個超限事件，每個事件記錄約64個壓力-時間數(shù)據(jù)點。
- 人機通訊
隨著近年管道自動化管理水平和要求的不斷提升，天然氣管道上的氣液執(zhí)行機構爆管保護單元已不再是一個孤立的“黑匣子”，其一方面必須具備遠程通訊的接口（目前主流的是RS485，標準MODBUS-RTU協(xié)議），以實現(xiàn)遠程監(jiān)視狀態(tài)和修改參數(shù)，另一方面還須具備就地人機交互界面（操作按鍵和顯示屏幕），以實現(xiàn)直接在產(chǎn)品使用現(xiàn)場查詢狀態(tài)、修改參數(shù)及本地端口直接導出數(shù)據(jù)等功能。為了方便操作和管理，漢化已經(jīng)成為國內(nèi)人機界面發(fā)展的趨勢，同時采用全天候，能耐受高低溫工作的顯示技術已經(jīng)得到廣泛認可。典型應用如采用OLED顯示屏幕，據(jù)悉幾個進口品牌也逐漸摒棄了傳統(tǒng)的LCD顯示技術，正在按照中國的要求改進設計。
爆管保護的應用規(guī)范
- 防爆規(guī)范
根據(jù)氣液執(zhí)行機構（包括爆管保護單元）的工作原理和現(xiàn)場的條件，對其正常操作或維護時，必然會有天然氣就地排放，因此，使用氣液執(zhí)行機構的區(qū)域可定義為：在正常運行時，可能出現(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境的區(qū)域。按照國標GB3836.14-2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備 危險場所分類》和國際電工委員會IEC60079.10-1995《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備危險場所分類》（國標GB3836.14-2000等同采用IEC60079.10-1995）對爆炸性氣體環(huán)境危險場所的劃分規(guī)定，氣液執(zhí)行機構整體歸屬于1區(qū)。
根據(jù)1區(qū)對防爆電氣設備的要求，通?？梢圆捎酶舯?、本安型和增安型等防爆型式。由于爆管保護單元的特殊性，目前行業(yè)普遍均采用隔爆型。同時，天然氣主要成分是甲烷，屬于IIA級爆炸性氣體，點燃溫度約為538 ℃，溫度組別為T1，因此，要求爆管保護單元的防爆等級不應低于Ex d IIA T1，或不低于不同防爆型式的等同防爆等級，如本安型防爆型式Ex ib IIA T1，增安型防爆型式Ex e IIA T1等。目前中國管道上氣液執(zhí)行機構電氣單元防爆等級要求不應低于Ex d IIB T4。
在國際上，北美電氣規(guī)范NEC500-2005《危險場所劃分》與國標GB3836.14-2000對潛在爆炸性區(qū)域的定義及防爆產(chǎn)品的應用要求上有一定的差異。如早期西氣東輸?shù)戎匾こ滩少彽谋泵肋M口的爆管保護單元，其設計遵循的是NEC500-2005標準中：1級爆炸氣體(Class 1)，2級危險區(qū)域(Division 2)的劃分，要求在正常使用中（功能和性能允許的條件下）產(chǎn)品周圍不得出現(xiàn)天然氣。但氣液執(zhí)行機構操作、維護過程中不可避免要排放天然氣，且部分使用環(huán)境條件封閉，這使得按北美NEC500-2005標準制造的產(chǎn)品容易與中國天然氣管道的實際要求不匹配，可能導致嚴重事故。因此，爆管保護單元相關的電氣控制箱、壓力傳感器和電磁閥均必須嚴格遵守國家防爆標準（或國際電工委員會防爆標準）的要求。
- 絕緣和接地規(guī)范
按照現(xiàn)行國家安監(jiān)局AQ3009-2007《危險場所電氣防爆安全規(guī)范》的要求：電氣設備的金屬外殼、金屬構架、金屬配線管及其配件、電纜保護管和電纜的金屬護套等非帶電的裸露金屬部分均應接地。另一方面，長輸天然氣管道因為埋地、防腐的需求，在管道上施加了陰極保護電流。為了不致陰極保護電流的流失，又必須要求長輸管道及直接與管道連通的設備與大地有良好的電氣絕緣性能。
氣液執(zhí)行機構本體直接安裝在線路截斷閥上實施驅動，與長輸管道之間幾乎不可能絕緣，因此在此關注的絕緣方案為：在氣液執(zhí)行機構爆管保護功能的所有防爆電氣部件（電氣控制箱、壓力傳感器和電磁閥）與執(zhí)行機構本體之間采用絕緣處理，再將其金屬外殼連接至現(xiàn)場接地網(wǎng)。具體實施方法：
①電氣控制箱與執(zhí)行機構的安裝位置絕緣；
②電磁閥與氣液執(zhí)行機構的安裝位置絕緣，電磁閥與執(zhí)行機構的連接鋼管絕緣；
③壓力傳感器感應端與管道絕緣，信號輸出端與執(zhí)行機構本體絕緣，安裝位置與執(zhí)行機構絕緣；
④其他現(xiàn)場不帶電的裸露金屬附件（如鍍鋅鋼管、電纜金屬鎧裝層等）與執(zhí)行機構和管道絕緣并接地。
當管道鋪設在電磁場很強的地域（如高鐵、高壓輸電線的沿途等），電氣絕緣將容易出現(xiàn)電荷積聚，形成電勢差，引發(fā)頻繁而強烈的靜電釋放（跳火），甚至破壞絕緣。遇到這種情況，必須考慮在絕緣兩側放電（跳火）前消除電勢差，可采用加裝等電位連接器的方法實現(xiàn)，或安裝排流裝置以減小周圍強電流的影響。
爆管保護的新技術
- 部分行程測試
部分行程測試又叫PST（Partial Stroke Test），其是一種在不影響管道正常輸氣的前提下，實現(xiàn)干線截斷閥自動關閉10°～15°（可調(diào)）再自動回到全開位置的測試，用于降低閥門因常年不動作帶來的潛在風險，提高管道運營的安全性。
天然氣管道干線截斷會直接影響下游天然氣用戶的生活和生產(chǎn)等需求，管道干線球閥通常不允許關斷操作，時間長久又可能導致在緊急情況下球閥無法動作的問題，而PST功能可解決這一問題，且維護方便。通過PST功能可以定期自動或手動實施氣液聯(lián)動干線截斷閥的動作測試，并將測試的結果記錄下來以備檢查確認，而一旦測試出現(xiàn)異常情況，也能及時發(fā)出報警提醒用戶。
- 無線通訊與監(jiān)視
隨著自動化技術的發(fā)展，對于分布離散、數(shù)據(jù)量小、實時性要求不高和建設造價低的天然氣管道，低成本的無線通訊SCADA技術得到了越來越多的應用。無線通訊同時具備廣域覆蓋、可靠性好、功能強大和持續(xù)在線等優(yōu)點，已經(jīng)在工業(yè)遙信，遙測和遙控中得到使用驗證。
帶無線通訊功能的爆管保護單元，將系統(tǒng)關鍵參數(shù)（管道壓力、壓降速率、干線截斷閥的閥位狀態(tài)和系統(tǒng)報警信息等）通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)送至事先已經(jīng)指定的IP地址端口，上位SCADA系統(tǒng)則通過端口獲得下位設備上傳的數(shù)據(jù)包，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的解析和顯示。上位SCADA向下位設備發(fā)送命令也是通過相同的通訊渠道。
結束語
爆管保護單元壓降速率保護參數(shù)設定的合理性、準確性將是業(yè)內(nèi)下一步應用研究工作的重點和難點，隨著該研究工作的推進和實現(xiàn)，爆管保護最終將成為天然氣管道的完整性管理中的重要一環(huán)。目前，國產(chǎn)氣液執(zhí)行機構爆管保護單元已經(jīng)逐步在長輸天然氣管道上普及應用，從使用的效果來看，其完全可以與國外進口產(chǎn)品相媲美，在人機顯示界面、系統(tǒng)功耗和精度等多項指標上已經(jīng)達到很高的水平。伴隨著國內(nèi)天然氣管道的建設及國產(chǎn)化進程的推進，國產(chǎn)爆管保護單元將對中國天然氣管道安全運行發(fā)揮重要作用。
